CN204230243U - 一种图像传感器像素结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种图像传感器像素结构，包括置于半导体基体中的光电二极管、复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管、漂浮有源区，还包括第一电荷传输晶体管、第二电荷传输晶体管以及置于第一电荷传输晶体管和第二电荷传输晶体管之间的电容。光电二极管在曝光周期中，第一电荷传输晶体管做开启并关闭操作多于1次，进而将多于1倍光电二极管饱和容量的光电电荷存储在电容中；光电二极管曝光结束时，将存储在电容中的光电电荷转移至漂浮有源区，进行读取光电信号操作，从而提高了图像传感器像素的电荷饱和容量。

Description

一种图像传感器像素结构

技术领域

本实用新型涉及图像传感器领域，特别涉及一种图像传感器像素结构。

背景技术

图像传感器已经被广泛地应用于数码相机、移动手机、医疗器械、汽车和其他应用场合。特别是制造CMOS(互补型金属氧化物半导体)图像传感器和CCD(电荷耦合型器件)图像传感器技术的快速发展，使人们对图像传感器的输出图像品质有了更高的要求。

在现有技术中，随着市场的需求和半导体制作工艺精度尺寸不断缩小的进步，图像传感器的分辨率不断增加，而像素单元面积在不断减小，例如市场上已经出现了1.4um，1.1um，甚至0.9um的像素的图像传感器，但是图像传感器的像素面积越小饱和阱容量就会越低，从而影响了动态范围，使得使用小面积像素的图像传感器采集的图像效果不尽人意。例如，1.1um像素的阱电容约为0.5fF，其信号饱和阱容量范围一般为2500e^-～3500e^-，而0.9um像素的饱和容量可能会低至1500e^-。

现有技术中的图像传感器像素一般采用CMOS图像传感器四晶体管像素结构，如图1所示。四晶体管有源像素的元器件包括：光电二极管101、电荷传输晶体管102、复位晶体管103、源跟随晶体管104和选择晶体管105、以及列位线106、漂浮有源区fd(FloatingDiffusing)，其中Cfd表征漂浮有源区fd的寄生电容，rx、tx、sx分别为复位晶体管103、电荷传输晶体管102、选择晶体管105的栅极端，Vdd为电源电压。光电二极管101接收外界入射的光线，产生光电电荷，光电二极管101积分完毕时，开启电荷传输晶体管102，将光电电荷从光电二极管101转移至漂浮有源fd后关闭电荷传输晶体管102，此光电电荷被源跟随晶体管104探测到，并转换为光电电势信号，同时开启选择晶体管105，通过列位线106将光电电势信号读出。

现有技术中的小面积图像传感器像素，因为面积小，其饱和电荷容量被限制在电容有限的光电二极管器件及其像素的工作方式上；像素的面积越小，其饱和容量越低，其采集到的图像信息量就会越少，进而降低了图像传感器采集的图像品质。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种高效的、提高图像传感器像素饱和容量的图像传感器像素结构。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

本实用新型的图像传感器像素结构，包括置于半导体基体中的光电二极管、复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管、漂浮有源区，还包括第一电荷传输晶体管和第二电荷传输晶体管，所述第一电荷传输晶体管与第二电荷传输晶体管之间设有电容；

所述第一电荷传输晶体管的源极与所述光电二极管相连，其漏极与所述电容和第二电荷传输晶体管的源极相连，所述第二电荷传输晶体管的漏极与所述漂浮有源区相连。

实用新型由上述本实用新型提供的技术方案可以看出，本实用新型实施例提供的图像传感器像素结构，由于像素结构中置有电容器件，在光电二极管积分周期中，其第一电荷传输晶体管可以多次将光电二极管中的光电电荷转移至电容，并储存起来；光电二极管积分周期结束时，开启第二电荷传输晶体管，将储存在电容中的光电电荷转移至漂浮有源区，进行光电信号读取操作。因此，本实用新型的像素结构及其操作方法，解决了小面积像素的信号饱和容量低的问题。

附图说明

图1为现有技术的图像传感器像素结构电路示意图。

图2为本实用新型实施例的图像传感器像素结构示意图。

图3为本实用新型实施例的图像传感器像素，采用金属-绝缘层-金属结构作为电容的电路示意图。

图4为本实用新型实施例的图像传感器像素，采用晶体管器件作为电容的电路示意图。

图5为本实用新型实施例的图像传感器像素，积分周期中，进行第一次转移光电二极管中光电电荷前的示意图。

图6为本实用新型实施例的图像传感器像素，积分周期中，进行第一次转移光电二极管中光电电荷时的示意图。

图7为本实用新型实施例的图像传感器像素，积分周期中，进行第一次转移光电二极管中光电电荷完毕后的示意图。

图8为本实用新型实施例的图像传感器像素，积分周期结束时，进行第N(N大于等于2)次转移光电二极管中光电电荷完毕后的示意图。

图9为本实用新型实施例的图像传感器像素，积分周期结束后，将储存在电容中的光电电荷转移至漂浮有源区时的示意图。

图10为本实用新型实施例的图像传感器像素，积分周期结束后，将储存在电容中的光电电荷转移至漂浮有源区完毕后的示意图。

图11为本实用新型实施例的图像传感器像素的光电响应曲线示意图。

具体实施方式

下面将对本实用新型实施例作进一步地详细描述。

本实用新型的图像传感器像素结构，其较佳的具体实施方式是：

包括置于半导体基体中的光电二极管、复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管、漂浮有源区，还包括第一电荷传输晶体管和第二电荷传输晶体管，所述第一电荷传输晶体管与第二电荷传输晶体管之间设有电容；

所述第一电荷传输晶体管的源极与所述光电二极管相连，其漏极与所述电容和第二电荷传输晶体管的源极相连，所述第二电荷传输晶体管的漏极与所述漂浮有源区相连。

所述电容是金属-绝缘层-金属结构的电容或晶体管器件电容。

所述金属-绝缘层-金属结构的电容的一端与所述第一电荷传输晶体管的漏极相连，另一端外接电势；

所述晶体管器件电容的源漏极与所述第一电荷传输晶体管的漏极相连，其栅极外接电势。

所述金属-绝缘层-金属结构的电容的外接电势大于等于0V；所述晶体管器件电容的外接电势大于等于-0.7V。

所述电容的电容值大于等于1fF。

本实用新型的上述的图像传感器像素结构的操作方法，包括步骤：

a、复位光电二极管操作，开启复位晶体管，第一电荷传输晶体管和第二电荷传输晶体管，将光电二极管中的电荷清除完毕后，关闭复位晶体管，第一电荷传输晶体管和第二电荷传输晶体管，光电二极管开始积分；

b、第一次光电电荷转移操作，第二电荷传输晶体管处于关闭状态，光电二极管积分时长为t1时，开启第一电荷传输晶体管，将光电二极管中的光电电荷转移至电容完毕后，关闭第一电荷传输晶体管；

c、第二次光电电荷转移操作，第二电荷传输晶体管处于关闭状态，光电二极管积分时长距第一次光电电荷转移操作t2时，开启第一电荷传输晶体管，将光电二极管中的光电电荷转移至电容完毕后，关闭第一电荷传输晶体管；

d、第N次光电电荷转移操作，第二电荷传输晶体管处于关闭状态，光电二极管积分时长距第N-1次光电电荷转移操作tn时，开启第一电荷传输晶体管，将光电二极管中的光电电荷转移至电容完毕后，关闭第一电荷传输晶体管；

e、复位电势信号读取操作，光电二极管积分周期结束后，第一电荷传输晶体管和第二电荷传输晶体管处于关闭状态，开启复位晶体管，漂浮有源区复位完毕后，关闭复位晶体管，然后开启选择晶体管，复位电势信号经由列位线被后续电路读取并保存；

f、光电电势信号读取操作，复位电势信号读取操作完毕后，复位晶体管处于关闭状态，第一电荷传输晶体管处于关闭状态，开启第二电荷传输晶体管和选择晶体管，将储存在电容中的光电电荷转移至漂浮有源区完毕后，关闭第二电荷传输晶体管，光电电势信号经由列位线被后续电路读取并保存。

所述光电电荷转移操作的次数N值大于等于2，所述积分时间t1、t2、...、tn之和等于光电二极管积分周期。

在CMOS图像传感器中，为了提高采集到的图像品质，本实用新型从优化像素结构及工作方法入手，在现有技术中的图像传感器像素结构基础上，添加第二电荷传输晶体管和光电电荷存储电容；光电二极管在曝光周期中，第一电荷传输晶体管做开启并关闭操作多于1次，进而将多于1倍光电二极管饱和容量的光电电荷存储在电容中；光电二极管曝光结束时，将存储在电容中的光电电荷转移至漂浮有源区，进行读取光电信号操作。因此，本实用新型提高了图像传感器像素的电荷饱和容量，解决了小面积像素的信号饱和容量低的问题。

具体实施例：

本实用新型实施例的图像传感器像素结构示意图，如图2所示。图2中，201为光电二极管，202为第一电荷传输晶体管，203为复位晶体管，204为源跟随晶体管，205为选择晶体管，206为列位线，207为第二电荷传输晶体管，208电容器件；其中，CD表征第一电荷传输晶体管202的漏极，第二电荷传输晶体管207的源极，电容器件208的一端与CD相连，FD为漂浮有源区，电容CFD表征漂浮有源区FD区的寄生电容，TX1为第一电荷传输晶体管202的栅极端，TX2为第二电荷传输晶体管207的栅极端，RX为复位晶体管203的栅极端，SX为选择晶体管205的栅极端，Vdd为电源电压。

图2所示，电容器件208可以金属-绝缘层-金属结构的电容，也可以是晶体管器件电容。图3示出了本实用新型实施例的图像传感器像素，采用金属-绝缘层-金属结构作为电容的电路示意图。图3所示，2081为金属-绝缘层-金属结构的电容，其一端与第一电荷传输晶体管202和第二电荷传输晶体管207的公用端CD相连，另一端Vct1外接电势，其外接电势大于等于0V。

图4示出了本实用新型实施例的图像传感器像素，采用晶体管器件作为电容的电路示意图。图4所示，2082为晶体管电容器件，其源漏极与第一电荷传输晶体管202和第二电荷传输晶体管207的公用端CD相连，其栅极端Vct2外接电势，其外接电势大于等于-0.7V。

图3所示的金属-绝缘层-金属结构的电容的电容值大于等于1fF，图4所示的晶体管电容器件的电容值大于等于1fF。

本实用新型实施例的图像传感器像素的操作方法，详细阐述如下：

首先，像素开启曝光前，复位光电二极管101操作，开启复位晶体管203，第一电荷传输晶体管202和第二电荷传输晶体管207，将光电二极管201中的电荷清除完毕后，关闭复位晶体管203，第一电荷传输晶体管202和第二电荷传输晶体管207，光电二极管201开始积分。

进一步，第一次光电电荷转移操作，第二电荷传输晶体管207处于关闭状态，光电二极管201积分时长为t1时，开启第一电荷传输晶体管202，将光电二极管201中的光电电荷转移至电容208完毕后，关闭第一电荷传输晶体管202。

图5示出了本实用新型实施例的图像传感器像素，积分周期中，进行第一次转移光电二极管201中光电电荷前的示意图。图5所示，501表示光电二极管201中的光电电荷储存区，其饱和容量为Qsat，502表示第一电荷传输晶体管202的开关示意图，507表示第二电荷传输晶体管207的开关示意图，508表示电容器件208的光电电荷储存区，509表示漂浮有源区FD的光电电荷储存区。其中，所述光电二极管201中的光电电荷储存区501区中，收集了光电电荷，开关502、507处于断开状态。图6示出了本实用新型实施例的图像传感器像素，积分周期中，进行第一次转移光电二极管201中光电电荷时的示意图，开关507处于断开状态，开关502处于接通状态，所述电荷储存区501区中的光电电荷通过接通的开关502被转移至电荷储存区508区。图7示出了本实用新型实施例的图像传感器像素，积分周期中，进行第一次转移光电二极管201中光电电荷完毕后的示意图，开关502和开关507处于断开状态，电荷储存区501区的所有光电电荷被转移至电荷储存区508区，此时的电荷储存区508区的最大光电电荷量为Qsat。

进一步，第二次光电电荷转移操作，第二电荷传输晶体管207处于关闭状态，光电二极管201积分时长距第一次光电电荷转移操作t2时，开启第一电荷传输晶体管202，将光电二极管201中的光电电荷转移至电容208完毕后，关闭第一电荷传输晶体管202。

进一步，第N次光电电荷转移操作，第二电荷传输晶体管207处于关闭状态，光电二极管201积分时长距第N-1次光电电荷转移操作tn时，开启第一电荷传输晶体管202，将光电二极管201中的光电电荷转移至电容208完毕后，关闭第一电荷传输晶体管202。

图8示出了本实用新型实施例的图像传感器像素，积分周期结束时，进行第N(N大于等于2)次转移光电二极管201中光电电荷完毕后的示意图。图8所示，电荷储存区508区接受到了来自电荷储存区501区N次的光电电荷量，其最大光电电荷量等于NQsat。

进一步，复位电势信号读取操作，光电二极管201积分周期结束后，第一电荷传输晶体管202和第二电荷传输晶体管207处于关闭状态，开启复位晶体管203，漂浮有源区FD复位完毕后，关闭复位晶体管203，然后开启选择晶体管205，复位电势信号经由列位线206被后续电路读取并保存。

进一步，光电电势信号读取操作，复位电势信号读取操作完毕后，复位晶体管203处于关闭状态，第一电荷传输晶体管202处于关闭状态，开启第二电荷传输晶体管207和选择晶体管205，将储存在电容208中的光电电荷转移至漂浮有源区FD完毕后，关闭第二电荷传输晶体管207，光电电势信号经由列位线206被后续电路读取并保存。

所述光电电荷转移操作的次数N值大于等于2，所述积分时间t1、t2、...、tn之和等于光电二极管积分周期。

图9示出了本实用新型实施例的图像传感器像素，积分周期结束后，将储存在电容208中的光电电荷转移至漂浮有源区FD时的示意图。图9所示，开关502处于断开状态，开关507处于接通状态，所述电荷储存区508区中的光电电荷通过接通的开关507被转移至电荷储存区509区。图10示出了本实用新型实施例的图像传感器像素，积分周期结束后，将储存在电容208中的光电电荷转移至漂浮有源区FD区完毕后的示意图，所述电荷储存区508区中的所有光电电荷已经被转移至电荷储存区509区中，电荷储存区509区中的光电电荷量为像素的光电电荷量，其最大值为NQsat，此光电电荷引起的漂浮有源区FD区电势变化，被源跟随晶体管204探测到，经由列位线206输出给下级电路模块处理。

图11示出了本实用新型实施例的图像传感器像素的光电响应曲线示意图。图11所示，竖直轴为本实用新型像素的光电信号电荷量，水平轴为本实用新型像素的曝光量，其中Qsat为现有技术的图像传感器像素的饱和电荷量，本实用新型像素在曝光量NEsat处饱和，其饱和电荷量为N倍的Qsat，N值大于等于2。由此可见，本实用新型提高了图像传感器像素的电荷饱和容量，解决了小面积像素的信号饱和容量低的问题。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种图像传感器像素结构，包括置于半导体基体中的光电二极管、复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管、漂浮有源区，其特征在于，还包括第一电荷传输晶体管和第二电荷传输晶体管，所述第一电荷传输晶体管与第二电荷传输晶体管之间设有电容；

所述第一电荷传输晶体管的源极与所述光电二极管相连，其漏极与所述电容和第二电荷传输晶体管的源极相连，所述第二电荷传输晶体管的漏极与所述漂浮有源区相连。

2.根据权利要求1所述的图像传感器像素结构，其特征在于，所述电容是金属-绝缘层-金属结构的电容或晶体管器件电容。

3.根据权利要求2所述的图像传感器像素结构，其特征在于，所述金属-绝缘层-金属结构的电容的一端与所述第一电荷传输晶体管的漏极相连，另一端外接电势；

所述晶体管器件电容的源漏极与所述第一电荷传输晶体管的漏极相连，其栅极外接电势。